Материал опубликован: 03/05/2005
Автор Д. Залужный

Системы хранения данных на магнитных лентах

Введение

На сегодняшний день существует огромное количество технологий и форматов записи, бесчисленное количество устройств – от бюджетных накопителей небольшой емкости, способных удовлетворить потребности маленьких фирм, до библиотек фантастической емкости, способных хранить несколько десятков и сотен ТБ информации.

Построение любой системы хранения данных начинается с постановки перечня задач, которые необходимо решать, т.е. какой объем информации будет сохраняться, какой тип информации будет преобладать (массивы данных, видео, изображения и т.п.), как часто будет происходить резервирование данных и т.д. Именно на этом этапе и необходимо решить, какой тип накопителя выбрать, какое решение окажется оптимальным.
Предлагаемая статья призвана помочь разобраться в этом многообразии и определить, какое решение наилучшим сохранит столь бесценную для вас информацию

Основные технологии

Во всех ленточных устройствах, несмотря на конструктивные отличия, используются всего два базовых метода записи:

• Данные на ленте записываются в виде множества параллельных дорожек. Движение ленты при записи/чтении идет в обоих направлениях. Считывающая/записывающая головка во время движения ленты неподвижна. По достижении конца ленты головка сдвигается на другую дорожку, а лента движется в противоположном направлении. Для увеличения скорости записи/чтения устанавливается несколько головок, которые работают с несколькими дорожками одновременно.

• наклонно-строчная магнитная запись

  В системах наклонно-строчной несколько считывающих записывающих головок размещают на вращающемся барабане, установленном под углом к вертикальной оси. Лента при записи чтении движется в одном направлении.

Оба метода имеют как достоинства, так и недостатки.

Линейная магнитная запись

DLT (Digital Linear Tape)

Используется картридж 10x10 см, лента шириной 0.5 дюйма. За счет того, что в картридже находится только подающий барабан, а приемный барабан находится в приводе, более эффективно используется объем картриджа. Сам привод получается несколько больших размеров. Технология DLT разрабатывалась компанией Quantum , и к настоящему моменту разделилась на два независимых проекта — Value DLT и Super DLT.

Технология Super DLT (SDLT) является наследницей DLT, разработчик — Quantum. В ней используется другая, более совершенная лента, другие магнитные головки (CMR, кластер магниторезистивных головок), оптическая система позиционирования дорожек и др. При этом сохраняется совместимость со старыми картриджами DLT. Первые устройства SDLT-220 (11/22 MB/s, 110/220 Gb), появились в начале 2001 года, а сейчас поставляется уже второе поколение SDLT 320 (16/32 MB/s, 160/320 Gb). Носитель — картридж SDLT 106х105х25 мм, можно читать и писать картриджи DLT IV, записанные на DLT80. Недавно начались поставки стримеров третьего поколения, SDLT 600 (36/72 MB/s, 300/600 Gb).

Технология Value DLT (DLT VS) является боковым ответвлением DLT, разработчик — Quantum. Стандарт создавался с целью составить конкуренцию DAT и захватить часть соответствующего рынка, первые устройства DLT VS80 (3/6 Mb/s, 40/80 GB), появились в начале 2000 года. Носитель — картридж DLT IV, однако формат чтения/записи не совместим с DLT80 и SDLT. Quantum уже выпустил стримеры второго поколения DLT VS160 (8/16 Mb/s, 80/160 GB).

Новый перспективный план развития DLTtape предусматривает расширение двух линеек ленточных накопителей Quantum. В двух новых поколениях, оснащенных функцией чтения в обратном направлении, главное внимание будет уделено повышению емкости. Новая линейка ленточных накопителей DLT-S™ (ранее SDLT™) предлагает высокую емкость в сочетании с высокой производительностью, а новая линейка DLT-V™ (ранее DLT VS™) — высокую емкость в сочетании с разумной стоимостью накопителя. Системы следующего поколения смогут считывать данные с картриджей старого формата. Компания также предложит на базе своих устройств два поколения технологии WORM (Write Once, Read Many), предотвращающей несанкционированное удаление или перезапись данных.

В ближайшее десятилетие системы DLT-S достигнут емкости картриджей более 10 Tb и выйдут на уровень быстродействия аппаратуры NAS. А в линейке DLT-V со временем появятся многотерабайтные устройства стоимостью ниже $1000.

SLR (Single-Channel Linear Recording)

Используется лета шириной четверть дюйма. Полностью закрытый картридж с массивным металлическим основанием имеет двух катушечную конструкцию. Катушки приводятся в движение ремнем, размещенным внутри картриджа. Картридж имеет лишь небольшое окошко для контакта головки чтения/записи с лентой и ролик, который сообщается с приводным ремнем внутри картриджа и с тон валом привода. Таким образом, лентопротяжный механизм имеет минимальное количество движущихся частей (головка и тон-вал), а, следовательно, надежность такой конструкции - максимальна. Кроме того, отмечена высокая устойчивость этого решения при работе в условиях колебаний температур и влажности окружающей среды.

Многоканальная головка подвешена при помощи магнитной катушки. На ленте при изготовлении нанесены специальные синхро-дорожки, которые считываются при движении ленты, а сервосистема на основе считанного синхросигнала постоянно корректирует положение магнитной головки по высоте. Использование сервосистемы позволяет увеличить количество дорожек на ленте, не прибегая к другим техническим приемам.

Головка чтения/записи имеет дополнительный рабочий зазор, который позволяет считывать только что сделанную запись.

Формат LTO (Linear Tape Open)

Технология LTO (Linear Tape - Open Technology) разработана компаниями IBM, HP и Seagate и определяет две спецификации формата носителей Accelis и Ultrium.

1. Устройства Accelis, ориентированные на минимальное время доступа и максимальную скорость. Причем, для получения минимального времени доступа исходное положение ленты в картридже - не начало, а середина ленты. В настоящее время данная спецификация не используется.

2. Устройства Ultrium, ориентированные на максимальную емкость. Конструкция картриджа и привода напоминает DLT.

Особенности технологии LTO:

Стримеры первого поколения, Ultrium 215 (7,5/15 МБ/сек, 100/200 ГБ), появились в конце 2000 года. Сейчас выпускается уже второе поколение Ultrium 230 (15/30 МБ/сек, 100/200 ГБ) и Ultrium 460 (30/60 МБ/сек, 200/400 ГБ), Ultrium 448 (24/48 МБ/сек, 200/400 ГБ), а также стримеры третьего поколения Ultrium 960 (80/160 МБ/сек, 400/800 ГБ).

Носитель — картридж Ultrium 105x102x22 мм, старшие модели могут читать и писать картриджи младших форматов. В планах разработчиков — выпуск стримеров Ultrium Generation 4 (160/320 МБ/сек, 800/1600 ГБ).

В настоящее время начались поставки накопителей половинной высоты LTO2HH для предприятий малого и среднего бизнеса. Эти устройства сочетают в себе преимущества открытого формата LTO Ultrium при доступной цене.

Наклонно-строчная магнитная запись

Скорость движения ленты невелика и процессы старта/останова занимают меньше времени и оказывают меньшие механические нагрузки на ленту, что дает возможность использовать более совершенные ленты (AME) .

За счет довольно высокой скорости вращения головок при наклонно-строчной записи, между лентой и головкой создается воздушная прослойка, которая существенно снижает трение. Кроме того, современные металлонапыленные ленты (AME) имеют специальное углеродное защитное покрытие (DLC, diamond-like coating) и слой сухой поверхностной смазки, что еще значительнее снижает абразивность ленты.

Наклонно-строчная технология предполагает наличие коротких дорожек на поверхности ленты, поэтому можно получить значительно более высокую плотность расположения дорожек (количество на 1 дюйм ширины). А за счет применения более совершенных лент AME плотность записи на самих дорожках тоже выше, чем при линейной записи.

Линейная плотность записи - количество информации, записываемой на единице длины магнитной дорожки, измеряется Кб/дюйм

4-х миллиметровые устройства DAT/DDS

(Digital Audio Tape)/ (Digital Data Storage)

Стримеры формата DAT - недорогие и достаточно эффективные устройства резервного копирования данных относительно небольшого объема. В настоящее время доступны модели DAT 24 (DDS-3: 12-24Gb) и DAT 40 (DDS-4: 20-40Gb). После долгого перерыва, когда казалось, что технология DAT исчерпала себя, появились модели нового поколения - DAT 72 (36-72Gb). К плюсам новых моделей следует отнести почти вдвое большую емкость, относительно низкую цену и совместимость (чтение/запись) с картриджами DDS-3 и DDS-4. Скорость у новых моделей 3Mb/s (без сжатия, со сжатием соответственно 6 Mb/s), что все-таки не очень много для такой емкости.

8-и миллиметровые устройства

Технология наклонно-строчной записи на магнитную ленту шириной 8 мм была предложена в 80-х годах, фирмой Sony, но впервые эта технология была адаптирована и оптимизирована для записи цифровых данных фирмой Exabyte.

AIT (Advanced Intelligent Tape)

Формат AIT был разработан компанией Sony на базе технологии helican-scan. В нем впервые была использована встроенная флэш-память на кассете MIC (Memory-In-Cassette), в которой помещается служебная информация о содержимом ленты и карта распределения данных, позволяющая оптимизировать доступ к ним. Как и другие современные форматы AIT использует систему трекинга (ATF) для более плотной записи дорожек.

Особенности AIT:

VXA

Формат VXA впервые объединил такие три инновации, как дискретный пакетный формат DPF (Discrete Packet Format), работа на разных скоростях VSO (Variable Speed Operation) и многократное сканирование OSO (Over Scan Operation).

Пакетный формат. Перед записью на носитель, данные разбиваются на пакеты, которые состоят из 64 байт пользовательских данных, маркера синхронизации, информации об уникальном адресе, избыточного циклического кода CRC (Cyclic Redundancy Check) и кода исправления ошибок ECC (Error Correction Code).

Поддержка переменной скорости (VSO) Позволяет менять скорость ленты в соответствии с изменением скорости передачи данных. Эта инновация устраняет обратные захваты, задержки и вызванный захватами износ носителей. Устранение захватов снижает и скорость износа механизма накопителя, что, в свою очередь, позволяет повысить надежность и возможность восстановления данных. В случае перерыва в передаче данных в обычных накопителях лента останавливается, отматывается назад, снова останавливается, а затем разгоняется в поступательном направлении до номинальной скорости. В отличие от обычного накопителя, VXA-устройство просто останавливается, ожидает поступления очередной порции данных и продолжает запись с места, где ранее произошла остановка.

Многократное сканирование (OSO) — избавляет от необходимости четкого согласования направлений движения ленты и записывающих головок. OSO позволяет неоднократно считывать ленту с физическими повреждениями, такими, как нарушение угла наклона дорожки или дефект носителя.

Чтение после записи RAW (Read-After-Write) Две пары головок на барабане записывают на ленту два перекрывающихся набора дорожек. Первая головка в каждой паре записывает данные, а вторая проверяет их целостность, выполняя чтение после записи RAW (Read-After-Write).

ZTW (Zero Tolerance Write) запись с нулевым допуском - гарантирует надежное сохранение данных на ленте. В этой процедуре вторая (замыкающая) головка считывает только что записанные пакеты - так же, как и при выполнении операции чтение после записи. Обнаружив пакет, где требуется исправление ошибок по ECC-коду, VXA-накопитель записывает его повторно.

Полудюймовые устройства S-AIT (Super Advanced Intelligent Tape)

На базе формата AIT в 2001 году специалисты Sony разработали формат S-AIT (Super Advanced Intelligent Tape). В отличие от AIT (3,5”), кассета и дисковод имеют форм фактор 5,25”. В кассете используется один ролик, а ширина ленты составляет 0.5 дюйма. AIT и S-AIT изготавливаются по одинаковой технологии, однако емкость кассеты S-AIT в 5 раз больше (500 Гб без сжатия) за счет увеличения общей площади ленты. В S-AIT используются все передовые технологии- AME, MIC, Helical Scan и др. S-AIT предлагает также сверхвысокую для ленточных накопителей скорость передачи данных- 30 Mб/сек.

На очереди вторая версия SAIT-2; в ней емкость будет увеличена в два раза, до 1 Тбайт (2,6 Тбайт с компрессией) при скорости обмена 60 Мбайт/с (156 Мбайт/с с компрессией). В каждом из двух следующих поколений SAIT-3 и SAIT-4 характеристики будут последовательно удваиваться. Другими словами, для SAIT-3 емкость составит 2 Тбайт (5,2 Тбайт с компрессией) при скорости обмена 120 Мбайт/с (312 Мбайт/с с компрессией), для SAIT-4 — 4 Тбайт (10,4 Тбайт с компрессией).

Технические данные всех упомянутых устройств указаны ниже в сводной таблице.

Как выбрать?

При выборе устройства следует обратить внимание на следующие факторы: Стоимость хранения (отношение стоимости носителя к его емкости) – при больших объемах данных и длительном использовании, определяет львиную долю стоимости владения.

При расчете таблицы использовались усредненные цены. Источник: http://www.price.ru/ (4.04.2005)

Среднее время доступа к файлам – может существенно влиять на скорость восстановления данных. По этому показателю устройства с наклонно-строчной записью превосходят устройства с линейной записью, а лидером является технология AIT(SAIT), благодаря наличию MIC памяти.

Скорость передачи данных – В реальных условиях производительность любого устройства ниже, указанной в спецификациях. Дело в том, что большинство серверов резервного копирования, вырабатывает неравномерный прерывающийся поток данных, при этом привод работает в старт-стопном режиме (старт и остановка ленты занимает некоторое время). У систем с наклонно-строчной записью за счет малой линейной скорости ленты старт-стопный режим работы мало влияет на производительность, а лучше всего в этом отношении приводы VXA, где не тратится время даже на обратный откат ленты перед возобновлением записи.

Среднее время безотказной работы (MTBF) и рабочий цикл (Duty Cycle) вместе характеризуют надежность устройства, и являются важными критериями при выборе устройства резервного копирования.

Стоит отметить привлекательность технологии LTO и накопителя Ultrium 960. Недавно появившийся на рынке, этот привод обладает наилучшим комплексом характеристик, предлагая запись 400 Гб информации (без сжатия) со скоростью передачи данных в 2,5 раза превышающей все возможные аналоги. При этом стоимость хранения одного Гб информации осталась одной из самых низких – $0.4/Гб.

Более доступным по цене, и незначительно уступающим по своим характеристикам является привод SDLT600. Устройство способно записать 300 Гб информации со скоростью 36 Мб/с, при этом, его стоимость в 1,5 раза ниже Ultrium 960! Таким образом, вы можете найти компромисс между скоростью и ценой устройства – стоимость хранения 1 Гб информации у них практически одинакова ($0.4 и $0.45 соответственно)

Подводя итог, можно сказать, что на сегодняшний день существуют две основные тенденции развития технологий записи на магнитной ленте: это полудюймовая технология – ее представители SDLT(Quantum),LTO-Ultrium (IBM, Certance, HP), SAIT (Sony), 3592(IBM) и 8мм технология AIT(Sony), Travan(Certance), VXA (Exabyte). Возможно, некоторое время продержится и 4мм технология(HP, Certance), но Sony уже отказалась от нее в ползу AIT.

Обзор подготовил: Д. Залужный, руководитель отдела систем резервного копирования, компании Транс-Америтек по материалам Quantum, Sony, HP, Certance, OnStream и IBM.

Официальный сайт компании Транс-Америтек: http://www.tae.su/

Ссылки по теме:

- Новые стандарты для носителей данных, аудио и видео ифнормации: ближайшее и отдаленное будущее
- Резервное копирование информации на ленточные и дисковые носители (примеры продукции Hewlett Packard)
- Тенденции развития рынка флэш-памяти